Устройство и принцип работы топливной системы с насос-форсунками

Насос-форсунки предназначены преимущественно для использования в системах впрыска дизельных двигателях. Они представляют собой одновременно и насос, и распылитель топлива. Их применение позволяет добиться снижения расхода, повышения мощности автомобиля, уменьшения количества вредных выбросов в отработавших газах и снижения уровня шума двигателя. О том, как работают насос-форсунки, вы узнаете из статьи.

Устройство насос-форсунок

Насос форсунки дизельных двигателей устанавливаются индивидуально для каждого цилиндра. Они крепятся в головке блока цилиндров, при этом очень важно выполнить правильный монтаж.

Насос-форсунка в разрезе

Привод насос-форсунки осуществляется от распредвала двигателя. Состоит насос форсунка из следующих элементов:

• Винт с шаровой головкой.
• Плунжер, оснащенный пружиной – создаёт рабочее давление внутри форсунки. Он приводится в движение кулачковым механизмом распредвала и возвращается в исходную позицию под воздействием пружины.
• Приводной кулачок.
• Коромысло.
• Уплотнители – обеспечивают герметичность форсунки.
• Камера высокого давления.
• Игла – выполняет впрыск топлива.
• Клапан – может быть электромагнитным и пьезоэлектрическим. С его помощью осуществляется управление процессом впрыска. Пьезоэлектрический клапан является более современным.
• Магистраль впуска – подает топливо в форсунку.
• Сливная магистраль.
• Обратный клапан и запорный поршень – поддерживают давление топлива на заданном уровне.

Пьезоэлектрический клапан срабатывает намного быстрее электромагнитного, при этом его работа контролируется лишь изменением подаваемого на него напряжения. Конструктивно он состоит из пьезопривода, расположенного в корпусе, оснащенном штекерным разъемом, а также рычажного мультипликатора и иглы распылителя.

Принцип работы насос-форсунки

Формирование и распределение топливовоздушной смеси в системе насос-форсунки происходит в три этапа:

1. Предварительный впрыск – осуществляется для обеспечения плавного сгорания топливовоздушной смеси на основном этапе работы двигателя.
2. Основной впрыск – выполняет образование топливовоздушной смеси в оптимальном для текущего режима соотношении.
3. Дополнительный впрыск – предназначен для очистки системы от остатков сажи в фильтре (регенерации).

Насос форсунка и ее положение в головке блока цилиндров

Сам процесс работы насос-форсунок заключается в следующем:

Кулачковый механизм, расположенный на распредвале, воздействует на плунжер, перемещая его в нижнюю позицию. Это обеспечивает перетекание горючего по каналам топливной форсунки. Когда клапан закрывается, топливо перестает поступать в камеру и давление начинает повышаться до уровня 13 МПа. При достижении критического показателя игла форсунки преодолевает давление пружины и начинает перемещаться в верхнее положение, что и обеспечивает впрыск топлива.

В отличие от других систем двигатели с насос-форсунками не имеют общего ТНВД (топливного насоса высокого давления). Каждый инжектор сам по себе представляет небольшой ТНВД.

Далее, работа форсунки зависит от вида впрыска. При предварительном впрыске топливо поступает в магистраль впуска, и давление падает. В некоторых случаях этот режим может повториться. Во время основного впрыска топлива плунжер продолжает движение вниз, и клапан закрывается. Давление топлива повышается до 30 МПа и лишь по достижению этого уровня игла начинает подниматься, выполняя впрыск и образуя топливовоздушную смесь.

Регулировка количества топлива происходит в зависимости от уровня давления, максимум которого составляет 220 МПа. Завершение основного впрыска происходит открытием клапана, в результате чего уровень сжатия падает, и игла распылителя опускается в исходное положение. Дальнейшее движение плунжера вниз провоцирует дополнительный впрыск топлива (как правило, их два). При этом работа форсунки аналогична основному этапу.

Достоинства и недостатки систем с насос-форсунками

Положительными сторонами применения насос-форсунок являются следующие качества:

• Возможность впрыска топлива под высоким давлением. Это обеспечивает эффективный распыл горючего, а следовательно, и его полное сгорание. Таким образом, дизельные двигатели, оснащенные насос-форсунками, получаются довольно мощными и отличаются экономным расходом топлива.
• Системы впрыска с насос-форсунками работают с меньшим уровнем шума.
• Высокая устойчивость к остановке двигателя в случае наличия поломок форсунок.
• Более эффективный распыл обеспечивает низкий уровень сажи в выхлопах, а потому такие системы можно назвать более экологичными.
• Отсутствие чувствительности к температуре окружающей среды и погодным условиям эксплуатации двигателя.

В числе недостатков можно отметить:

• Сложное устройство форсунки и следовательно ее высокую стоимость. Также они практически не подлежат ремонту и в случае неисправности требуют полной замены.
• Так же, как и для системы Common Rail, для корректной работы насос-форсунок требуется применение качественного топлива с минимальным количеством примесей и присадок.

Частой неисправностью форсунок является их загрязнение. Определить последнее можно по следующим симптомам:

• Резкое повышение расхода топлива.
• Существенное падение мощности двигателя автомобиля.
• Ощутимые сложности при запуске мотора.

Несмотря на то что системы с насос-форсунками постепенно вытесняются двигателями Common Rail, они имеют несомненные преимущества, которые и обеспечивают их сферу применения в современном автомобилестроении.

Устройство автомобилей

Система питания с насос-форсунками

Чем хороша насос-форсунка?

Как и следует из названия, насос-форсунка представляет собой своеобразный гибрид между насосом высокого давления и форсункой, в котором ТНВД выполняется для каждой форсунки «персонально».

Несмотря на относительную сложность и дороговизну такой конструкции, по крайней мере, в сравнении с другой современной и широко распространенной системой питания — Common Rail, система с насос-форсунками имеет ряд неоспоримых достоинств. В первую очередь – это возможность впрыскивать топливо под очень высоким давлением, которое способно разрушить паразитические элементы классической системы питания и системы Common Rail – трубопроводы высокого давления.

Именно трубопроводы высокого давления чаще всего устанавливают предел давлению впрыска в таких системах – трубки нередко лопаются, не выдерживая колоссальных динамических нагрузок – пульсирующего под большим давлением топлива и вибрации, которая неизбежно сопровождает работу двигателя. Насос форсунка не нуждается в длинных трубопроводах, поэтому способна работать при несравненно высоком давлении. Давление в системе подачи топлива насос-форсунками такое мощное, что при утечке струя топлива может легко «разрезать» одежду и кожу на теле человека.

Более высокое давление впрыска позволяет эффективнее наполнять цилиндры топливом, поскольку при одинаковой продолжительности впрыска система с высоким давлением пропустит через отверстия распылителя форсунки большую порцию топлива. Кроме того, качество распыливания тоже напрямую зависит от того, под каким давлением впрыскивается топливо.

Итак, преимущества системы очевидны, осталось выяснить, почему же она лишь в последние годы привлекла пристальное внимание конструкторов и получила заслуженную популярность.

История изобретения насос-форсунки

Системы питания дизелей типа насос-форсунка начали серийно применяться на грузовых автомобилях с 1994 года, а на легковых с 1998 года. Однако первые испытания таких систем имели место значительно ранее – в первой половине прошлого века.

В 1938 году американской компанией Detroit Diesel, (Детройт) принадлежащей General Motors (Дженерал Моторс), был построен первый в мире серийный дизель с системой питания насос-форсунками. Работа над аналогичными системами велась в это время и в нашей стране, но она была прервана Великой Отечественной войной.
Тем не менее, первые дизельные двигатели – четырехцилиндровые двухтактники ЯАЗ-204 были оснащены насос-форсунками уже в 1947 году. Справедливости ради следует отметить, что они были изготовлены по лицензии все той же фирмы Detroit Diesel.
Двигатель ЯАЗ-204, а также сделанный на его базе шестицилиндровый аналог, с некоторыми доработками выпускались до 1992 года.

В 1994 году компания Volvo выпускает свой первый европейский грузовик FH12 с насос-форсунками, а через некоторое время такая система питания появляется на Scania и Iveco.

В сегменте легковых автомобилей первенство в освоении моторов с насос-форсунками принадлежит Volkswagen. На автомобилях этой компании дизельные моторы с насос-форсунками появились в 1998 году.
В конце 90-х годов двигатели с насос-форсунками занимали примерно 20% рынка топливной аппаратуры европейских дизелей.

Интерес к системам питания насос-форсунка (как, впрочем, и системы Common Rail) заметно возрос после появления компьютерных систем управления работой двигателя. Это позволяло эффективнее управлять подачей топлива в дизелях, используя сигналы различных датчиков, обрабатываемых электронным блоком управления. На смену механическим насос-форсункам пришли электронные.
Рассмотрим принцип работы каждой из таких форсунок.

Принцип работы механической насос-форсунки

Как указывалось выше, механическая насос-форсунка состоит из портативного топливного насоса высокого давления и распылительной части в одном корпусе. ТНВД находится в верхней части насос-форсунки, распылитель в нижней. Привод насоса высокого давления осуществляется от специальных кулачков, выполненных на распределительном валу двигателя, поэтому насос-форсунки, как правило, размещаются под клапанной крышкой и снаружи их не видно.

Принцип работы механической насос-форсунки незамысловатый. Кулачок распределительного вала через рычаг-коромысло толкает плунжер насос-форсунки, благодаря чему давление в ней резко возрастает и по достижении определенного значения поднимает иглу распылителя.
После этого топливо поступает в камеру сгорания по обычному сценарию, как и у классического дизеля. Рабочая смесь самовоспламеняется от сжатия, и расширяющиеся газы выполняют полезную работу, перемещая поршень.

Недостатки такой системы напрямую связаны с высоким развиваемым давлением, из-за чего сопрягаемые детали (кулачки распределительного вала, золотниковое запорное устройство и т. п.) интенсивно изнашиваются. Это отражается в неравномерности работы цилиндров из-за изменения фаз впрыска, и количества подаваемого топлива, появляются внутренние утечки топлива, и эффективность работы двигателя снижается. Кроме того, невозможно управлять впрыском, из-за чего механической насос-форсунке недоступен многократный впрыск, позволяющий эффективнее сжигать топливо в цилиндре двигателя.
Негативного влияния этих недостатков в значительной степени позволяет избежать применение управляемых электронных насос-форсунок, которые в последние годы постепенно вытесняют своих примитивных механических собратьев.

Электронные насос-форсунки

Управляемые электроникой насос-форсунки работают несколько иначе, чем механические. Давление создается также, как и в механической насос-форсунке — при помощи плунжера, но началом и продолжительностью впрыска «руководит» электронный блок управления двигателем. При этом количество впрыскиваемых в цилиндр порций топлива может доходить до десяти за один такт, распределенных на три основные фазы:

• предварительный впрыск;
• основной впрыск;
• дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыск осуществляется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.

Для управления впрыском топлива предназначен клапан управления, размещенный на корпусе насос-форсунки.
В зависимости от привода различают электромагнитный и пьезоэлектрический управляющие клапаны. Пьезоэлектрические клапаны пришли на смену электромагнитным клапанам благодаря высокому быстродействию. Основным конструктивным элементом клапана является игла клапана.

Форсунка с пьезоэлектрическим управлением (пьезофорсунка) является наиболее совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива. Ее основным преимуществом является быстродействие — пьезофорсунка срабатывает примерно в четыре раза быстрее форсунки, управляемой электромагнитным клапаном. Это позволяет подавать в цилиндр больше топлива за время впрыска, точнее дозировать порцию топлива, а также использовать преимущества многократного впрыска.

Управление пьезофорсунками осуществляется посредством пьезоэлемента (пьезокристалла), который способен деформироваться, т. е. изменять линейные размеры под воздействием электрических импульсов. Обычно в работе таких форсунок используется гидравлический принцип, когда в исходном положении запорная игла прижимается к седлу высоким давлением топлива. Полость, в которой размещена запорная игла такой форсунки, разделена на два объема — верхний и нижний, и в обычном состоянии давление топлива в них одинаковое. При этом усилие на иглу со стороны верхней полости превышает усилие со стороны нижней полости за счет разности поверхностей, на которых воздействует давление топлива.
Чаще всего плотная посадка иглы распылителя на седло дополнительно обеспечивается пружиной, усилие которой в системах, работающих по гидравлическому принципу, поддерживается давлением топлива.

При подаче блоком управления электрического сигнала на пьезоэлемент его длина изменяется и пьезокристалл воздействует на переключающий клапан, сбрасывая давление в верхнем объеме в сливную магистраль. Поскольку давление топлива в верхнем объеме полости резко падает, избыток давления в нижнем объеме поднимает иглу и в этот момент осуществляется впрыск.

Достоинства и недостатки насос-форсунки

Как уже отмечалось выше, насос-форсунки, в отличие от аккумуляторного впрыска системы питания Common Rail, позволяют впрыскивать топливо под давлением более 2000 бар благодаря отсутствию длинных топливопроводов высокого давления, которые нередко разрушаются при работе дизеля и являются слабым звеном классической системы питания и системы Common Rail. Повышение давления в насос-форсунках позволяет за очень короткий период впрыска подать в цилиндры больше топлива, при этом его распыление и смешивание с воздухом происходит эффективнее, и, следовательно, топливо сгорает полнее. Поэтому двигатели с насос-форсунками отличаются высокой удельной мощностью, экономичностью и экологичностью.

Помимо этого двигатели с такой системой впрыска работают тише своих собратьев с Common Rail или классической системой питания с механическим ТНВД с механическими форсунками. Кроме того, система впрыска с насос-форсунками компактнее.

Недостатки насос-форсунок не менее серьезные. Самый главный минус – это предельная требовательность насос-форсунок к качеству топлива. Вода, грязь и суррогатное топливо для них губительны.

Второй существенный недостаток — высокая стоимость насос-форсунки. Ремонт этого прецизионного узла трудноосуществим вне заводских условий. Поэтому владельцам автомобилей с такой системой питания приходится приобретать новые насос-форсунки взамен пришедших в негодность.
В качестве примера — минимальная стоимость насос-форсунки для VW Passat 2006 года — 18 тысяч рублей.

Еще одна неприятность — под колоссальным давлением насос-форсунки нередко разрушают посадочные гнезда в блоке дизельного двигателя.

Основная причина ухудшения мощностных показателей двигателей с насос-форсунками (например, система питания двигателей автомобилей FH12) — износ клапанов управления подачи топлива, следствием чего является увеличение хода клапана и резкое снижение гидравлической плотности всей системы управления. У специалистов этот дефект называется разрывом линии нагнетания.

Если сравнивать практичность насос-форсунок и системы Common Rail, то немаловажно, что система питания с насос-форсунками даже при выходе из строя одной форсунки, позволяет самостоятельно добраться до ближайшего сервиса.
Common Rail при выходе из строя хотя бы одной форсунки останавливает двигатель, блокирует его запуск до устранения неисправности и стирания из памяти блока управления возникших ошибок.

Особенности эксплуатации насос-форсунок

Самые распространенные неисправности насос-форсунок связаны с износом клапанного узла и распылителей. Причина выхода из строя этих узлов связана, прежде всего, с плохим качеством топлива и неправильной эксплуатации автомобиля с этой системой.

Ни в коем случае нельзя добавлять в бак автомобиля с насос-форсунками бензин, керосин, тормозную жидкость и прочие добавки для повышения морозоустойчивости летнего дизельного топлива.

Для повышения срока службы насос-форсунок необходимо сократить интервал замены топливных фильтров. Причем устанавливать необходимо только оригинальные, разрешенные заводом-изготовителем фильтрующие элементы.